Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Для оценки влияния отношения расходов воздуха и жидкости на величину Обэ в работе 117] форсунки с простой струей помещались в трубы Вентури с горловинами диаметрами 0,27, 1,27 н 8,48 см. Жидкость подавалась вдоль осей двух меньших труб и радиально в последнем случае. Капли улавливались на пластины при их прохождении через факел (этот метод искажает распределение по размерам в области малых капель).
Пробы были малопредставительны (примерно около 300 капель). По этим причинам точность полученных результатов невелика. Однако удалось качественно оценить влияние плотности газа (использовалнсь азот, этилен и гелий) на 080 при распыливании дизельного топлива. С уменьшением плотности газа в 7 раз 080 увеличивался приблизительно в 2 раза несмотря на небольшое увеличение скорости потока газа.
В работе 11001 исследовано распыливание струй жидкости, подаваемых против потока воздуха и в спутном направлении. Эксперименты выполнены в диапазонах изменения скорости воздуха от 60 до 300 м/с, диаметра отверстий от 1,2 до 4,8 мм, коэффициента вязкости жидкости от 0,0032 до 0,01!3 кг/(м с) н плотности воздуха от 0,74 до 4,2 кг/м'. Установлено, что наиболее важным параметром, влияющим на средний размер капель, является относительная скорость потоков воздуха н жидкости. Обнаружено, что распределение капель аэрозоля по размерам зависит от диапазона длин волн неустойчивых возмущений на поверхности пелены жидкости, причем минимальная длина таких волн обусловлена стабилизирующим влиянием сил вязкости, а масимальная — влиянием снл инерции.
Основываясь на этих соображениях, авторы работы 1100) получили формулу цб,ббдбзб ОЛ4 ~ ~80 0 80 1 88 (10.42) 0Ваэд Отв Результаты их экспериментов подтвердили зависимость от скорости воздуха, а для показателей степени параметров жидкости дали несколько другие значения. 433 Подача тоааааа Сильная зависимость среднего размера капель от скорости потока воздуха была обнаружена также при исследовании распыливания струй расплавленного парафина [101].
На основании экспериментов получена формула (10.43) Средний размер капель и их распределение по размерам для двух пневматических форсунок различных конструкций определялись в работе [95]. Одна из форсунок имела сужающееся сопло такого же типа, как в работе [99], и жидкость начинала подвергаться воздействию воздуха в наиболее узком сечении сопла. Другая форсунка состояла из центральной трубки для подвода воздуха и кольцевого канала для подвода жидкости.
Использовались форсунки с отверстиями диаметрами 2,4, 2,8 и 3,2 мм. В диапазоне размеров капель от 5 до 30 мкм результаты экспериментов [95] описываются формулой г1 2 5 10 — 3 ж ( изота за~~~~ з я~~~~У~~~~1 ) (10.44) в случае сужающегося сопла и з(1 122 10 — 4[ ~ж ) [ изота ) ' (10.45) 28 ззз. Па в случае форсунки второго типа. Здесь Š— диаметр сечения пленки жидкости на стенке канала. , Результаты этого исследования в общих чертах подтвердили ранее полученные выводы о благоприятном влиянии увеличения отношения расходов воздуха и топлива, скорости и плотности воздуха на качество распыливания.
Интересной особенностью зависимостей (10.44) и (10.45) является наличие в них величины вязкости воздуха (хотя влияние вязкости непосредственно не изучалось). Кажется удивительным и то, что с увеличением диаметра сопла средний размер капель уменьшается; однако этот результат объясняется утонением пленки жидкости с увеличением ее длины. Анализ механизма пневматического распыливания [102] выявил важность кинетической энергии распыливающего воздуха и существование связи между средним размером капель и разностью кинетических энергий поступающего воздуха и выходящего аэрозоля. В более поздней работе [103] были использованы данные [98, 104] о распыливании парафина посредством форсунки, разработанной в Национальном научно-исследовательском институте газотурбинных двигателей (рис.
10.30), 434 Глава 29 и получено следующее выражение для среднего медианного размера капель: 0,5 Ол (! 1„. ~ )0.5 ВОноО 2 м 0,5 »И.О о~~од ~т» (10.46) В работе [97] изучалась эмульсионная форсунка, схема которой показана на рис. 10.31. В этой форсунке жидкое топливо Воздух То воздух олово 1! ! ° ° з з Воздух Рис. 10.31. Форсунка Мвлинджерв и Чиджера [97). Рис. 10,30. Форсунка И0ТЕ [1021. и воздух (или пар) подаются в камеру смешения. Процесс распыливания происходит частично в этой камере, но главным образом в результате распада вытекающей пелены жидкости.
Получено хорошее согласие результатов этих экспериментов с зависимостью (10.46) даже при отношении расходов воздуха и жидкости, равном 0,005, т. е. в 10 раз меньшем, чем в работе [!02]. С другой стороны, в случае распыливания воды [99,106] согласие с формулой (10.46) оказалось плохим, что было объяснено коагуляцией капель. Предложено учесть этот эффект путем введения в формулу (10.46) эмпирического сомножителя [!06] 1+ 5,0 [ —.) тм".
(10.47) Подвергалась исследованию и пневматическая форсунка, в которой могут быть реализованы различные течения распылнвающего потока воздуха [21]. В одном случае воздух Подача тоиимва 435 Лпиза 00,43 0,32 гтм = 5,36 ° 10 г 2 золт олв о,га + [Рвозд1тотн) '" Рж + 3,44 ° 10 ( ~ ) ' (~"'~) (10.48) где А — площадь проходного сечения канала воздушного потока (м'), а т= — 0,5 при — '."" ) 3. Для случая подачи как основного, так и дополнительного воздуха получена зависимость 0,4! 0,32 77м=262 у 2 тс,тв оив + [ гу +1,06 10'( — "')' ( . ) 004.
Был сделан вывод, что важными параметрами процесса пневматического распыливання являются отношение массовых (10.49) 28* подводится к топливному соплу по кольцевому сужающемуся каналу, а в другом, кроме того,— по трубке, помещенной вдоль оси топливного сопла (рнс. 10.32). В этом случае кольце- и волвйм вая пелена жидкости может подвергаться воздействию потоков воздуха с двух сторон. Такое устройство создает мел- овптв кодисперсный аэрозоль [105). 30335* Размеры капель расплавленных парафиновых смесей определялись в диапазонах измене- 1 ния вязкости расплавов от 0,001 до 0,050 кг/(м с), относительной скорости воздуха от 75 до 393 м/с, отношения массовых расходов воздуха и жидкости 2 от 0,06 до 40, плотности жидкости от 800 до 960 кг/м' и Рис.
10.32. Форсунка Кима и Марплотности воздуха от 0,93 до шалла 1211. 2,4 кг/м'. т †топливн сонно; 2 — сопло основного воздуха. В случае подачи только основного (периферийного) воздуха получена зависи- мость 436 Глава зэ Х~1+0,065( ™" ) 1~!р( заид "!7 + (10.50) где т„„— отношение коэффициентов кинематической вязкости жидкости и воды; а — радиальный зазор у кромки чашки, м„ 7)ф — диаметр чашки, м; (lф — окружная скорость форсунки (периферии чашки), м/с; 1/„,— отношение скоростей воздуха н ЖИДКОСТИ ((/зозд/(/ф).
УСТанОВЛЕНО, ЧТО ПРИ йзозд/йж ) 1,5 ВЛИЯ- ние отношения расходов на величину Озз становится незаметным. Этот предел значительно меньше указываемого в последующих работах [31, 32, 37, 105] (от 4 до 5). Проведено теоретическое исследование роста капиллярных волн на поверхности жидкости под действием потока воздуха [106]. Считалось, что при определенной величине длины волны ее гребень срывается в виде нити, распадающейся на капли, диаметр которых пропорционален длине волны. Из этих соображений получена формула "-(:..':...) нз рж рж В 1960-х гг. в Кренфильде была проведена серия экспериментальных исследований пневматического распыливания [30 — 37, 58, 105, !07].
Постановка этой продолжающейся исследовательской программы связана с тем, что обычные механические фор- (10.51) расходов воздуха и жидкости т,.„/й и скоростной напор р„,(l,',„[21]. Их возрастание приводит к уменьшению размеров капель. Рекомендуется использовать диапазон 0,1 ( тзозд/йж ( ( 10. При й„,д/тж ( 0,1 распыливание резко ухудшается, а при йзозд/йж ) 10 энергия воздушного потока не используется полностью. Следует отметить, что этот диапазон значительно шире указанного в работах [31, ЗЗ, 37], где ухудшение распыливания наступало прн тзозд/йж ( 2 О.
В работе [87] определялись характеристики аэрозоля, создаваемого кольцевым потоком воздуха большой скорости, симметрично обдувающего круговую пелену жидкости постоянной толщины, стекающей с кромки вращающейся чашки. Сопоставление полученных результатов с данными других авторов показывает, что форсунки, в которых происходит предварительное образование пелены, имеют преимущество перед форсункамн с плоской струей жидкости, так как контролируемое образование тонкой пелены жидкости существенно для получения мелкодисперсного аэрозоля. Полученная зависимость имеет вид [87] ззяо о О,И Рз;4, (азз + аз)"' Подача топлива 437 сунки не удовлетворяют требованию уменьшения лучистого потока тепла от пламени и содержания дыма в выхлопных газах ГТД с большой степенью повышения давления воздуха.
Для выяснения основных факторов, которые следует учитывать при проектировании пневматических форсунок, в работе [105] выполнено большое число испытаний различных распыли- вающих устройств с использованием воды и керосина. Размеры капель определялись методом улавливания на пластины, покрытые окисью магния. Эксперименты подтвердили улучшение распыливания с увеличением скорости потока воздуха и слабое топлива Воздух Рнс.
10.33. Форсунка Брайана, Голбоула н 11орстера 11071. влияние отношения расходов воздуха и жидкости в диапазоне от 3,0 до 9,0. Был сделан вывод о том, что капли минимального размера создаются форсунками, обеспечивающими наилучший контакт между потоками воздуха и жидкости. При этом важно, чтобы образующаяся пелена жидкости подвергалась воздействию высокоскоростного потока воздуха с двух сторон, что также предотвращает попадание капель в потоке воздуха на твердые поверхности.
Авторы также указали на важность создания как можно более тонкой пелены жидкости перед ее обтеканием потоком воздуха, поскольку увеличение толщины пелены жидкости, стекающей с поверхности, приводит к увеличению толщины жидких нитей и образованию капель большего размера. Главной ценностью рассматриваемой работы 1105] являются не столько экспериментальные данные, которые получены с помощью сравнительно грубых методов измерений, сколько ясная формулировка главных принципов проектирования высокоэффективных форсунок, Этн принципы можно суммировать следующим образом: Глава 10 1) Жидкость следует распределять в тонкую непрерывную пелену постоянной толщины.
2) Лучше всего распыливаются пелены минимальной толшины; на практике это означает, что диаметр кромки, с которой стекает жидкость, должен быть максимально возможным. 3) Кольцевая пелена жидкости должна с двух сторон подвергаться воздействию потока воздуха с максимально возможной скоростью, т. е, потери полного давления воздушного потока должны быть минимальными, а скорость воздуха у кромки— максимальной. В более поздних испытаниях форсунки рис.
10.33 )107) было установлено, что в результате распределения топлива по топлив~о 42 Ро Рис. 10.34. Пневматическая форсунка с предварительным созданием пленки жидкости 130, ЗЦ 2 — павврхнасть, на которад образуется пленка жадности; 2 — распылитвльиап кромкас у — конус: а — водаслив. поверхности распылителя и обдува пелены жидкости воздухом с двух сторон получается значительное улучшение характеристик распыливания и воспламенения топлива. Методом рассеяния света исследовано влияние скорости и давления воздуха на средний размер капель. Большая часть испытаний проведена с водой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
